I flere tiår har gravitasjonsteorien, som følger av generell relativitetsteori,
På dette tidspunktet oppdaget forskerne det førstOppførselen til fjerne galakser samsvarer ikke med spådommene til gravitasjonsteorien. Forvrengninger av rom-tid fra fjerne klynger og stjernesystemer viste seg å være mye sterkere enn massen til slike objekter beregnet basert på observasjoner.
Senere, på slutten av 1990-tallet, kom forskereoppdaget et annet uvanlig faktum. Det viser seg at universets ekspansjonshastighet øker med tiden. Denne effekten utgjorde en annen utfordring for Albert Einsteins teori: gravitasjonseffektene av materie skulle bremse utvidelsen av universet, ikke fremskynde den. Den moderne kosmologiske modellen – ΛCDM-modellen – har funnet svar på disse spørsmålene, men forskerne gir ikke opp håpet om å utfordre genialiteten i første halvdel av det 20. århundre.
Hvorfor tror forskerne at universet ekspanderer i en akselerert hastighet?
Den akselererte ekspansjonen av universet ble oppdaget i1998 som et resultat av arbeidet til to uavhengige team på en gang: Supernova Cosmology Project og High-Z Supernova Search Group. Begge forskningsgruppene studerte akselerasjonen av universets utvidelse ved å analysere fjerne stjerneeksplosjoner.
La-type supernovaer har nesten det sammestandard lysstyrke. Ved å observere lysstyrken til slike objekter kan man bestemme hvor langt unna de er. I tillegg, når universet utvider seg, skifter lys fra fjerne objekter til den røde siden av spekteret. Ved å måle rødforskyvning kan man fastslå hvor mye universet har utvidet seg siden supernovaen oppstod.
Astrofysikere under disseeksperimenter var sikre på at universet skulle ekspandere i en langsommere hastighet, hvoretter prosessen enten skulle stoppe eller begynne å trekke seg sammen. Men det uventede resultatet, som begge gruppene av forskere uavhengig kom til, var at universet ekspanderer i en akselererende hastighet.
Utvidelsen av universet ble senere bekreftetandre metoder. Måling av den kosmologiske mikrobølgebakgrunnen (spor fra Big Bang), effekter av gravitasjonslinser og analyse av baryon akustiske svingninger bekrefter hypotesen om utvidelsen av universet.
I 2007 ble begge lagene som oppdaget effekten av universets utvidelse tildelt Gruber-prisen innen kosmologi, og i 2011 ble tre av deltakerne tildelt Nobelprisen i fysikk.
Akselerert utvidelse av universet. Bilde: NASA, STSci, Ann Feild
Hvordan forklare den akselererte ekspansjonen?
For å forklare observasjonene (utvidelsen av universet og den sterkere forvrengningen av rom-tid fra fjerne galakser), introduserte forskere to nye modeller - mørk materie og mørk energi.
Mørk materie er en hypotetisk formmaterie, som forskerne mener utgjør omtrent 85 % av materien i universet. Det kalles mørkt fordi det ikke samhandler med det elektromagnetiske feltet på noen måte. Med andre ord, slikt materiale reflekterer, absorberer eller sender ut lys og andre elektromagnetiske bølger. Imidlertid har den sin egen masse, og derav gravitasjonspåvirkningen. Å legge mørk materie til kosmologiske modeller bidrar til å forklare den sterkere tyngdekraften til fjerne galakser.
Mørk energi er en hypotetisk formenergi, i motsetning til mørk materie, er lite kjent om det. Mørk energi antas å være veldig homogen, ikke veldig tett, og kan ikke samhandle med noen av de grunnleggende kreftene annet enn tyngdekraften. Denne energien er assosiert med vakuumenergien. Hvis vi antar at når universet ekspanderer og ledig plass øker, øker denne energien, så kan overgangen fra jevn til akselerert ekspansjon forklares.
Selv om mørk energihypotesen beskriver godtprosessene som observeres i universet, selve dets eksistens og samhandling kun med gravitasjonsfeltet er vanskelig å assosiere med den generelle relativitetsteorien og Einsteins gravitasjonsteori.
Hvordan teste teorien?
Noen forskere mener at hvis teorientyngdekraften kan ikke forklare mørk energi, kanskje den er ufullstendig, og en ekstra parameter eller variabel må legges til ligningen som vil binde alle observasjonene sammen. For å teste denne hypotesen ser forskere i fortiden etter tegn på brudd på gravitasjonsteorien.
Et slikt arbeid er internasjonal forskningmørk energi ved hjelp av det 4 meter lange Victor Blanco-teleskopet i Chile. Resultatene av denne observasjonen ble presentert i august på den internasjonale konferansen om partikkelfysikk og kosmologi (COSMO’22) i Rio de Janeiro.
Studiedeltakerne så etter bevisdet faktum at tyngdekraften har endret seg gjennom universets historie, eller i en fjern fortid. For arbeidet deres brukte de, i tillegg til hovedteleskopet Blanco, data fra Planck-satellitten til European Space Agency.
Astrofysikere har studert bilder av galakser påtilstedeværelsen av mer subtile forvrengninger på grunn av krumningen av rommet av mørk materie - en effekt som kalles svak gravitasjonslinser. Tyngdekraften bestemmer størrelsen og fordelingen av mørk materiestrukturer, og størrelsen og distribusjonen bestemmer igjen hvor buede disse galaksene ser ut for oss.
Ved å måle alle disse parameterne er det mulig å bestemme kraftentyngdekraften i fjerne galakser. Og siden lyset fra dem tar millioner og milliarder av år å nå oss, undersøker i hovedsak forskere hvordan tyngdekraften oppførte seg i fortiden.
Forskerne rapporterte at de allerede har studertgravitasjonskrefter og former i mer enn 100 millioner galakser, men i alle eksperimenter er observasjoner helt i samsvar med Einsteins teori. Så naturen til mørk energi forblir et mysterium.
Gravitasjonslinser, som det som er sett i det første James Webb-bildet, hjelper forskere med å utforske mørk materie og tyngdekraft i fjerne systemer. Bilde: NASA, ESA, CSA, STScI
Hva er neste?
Einsteins teori står fortsatt, men forskerefortsett å teste styrken. Et nytt forsøk på å forklare naturen til mørk energi vil bli gjort av satellittoppdrag. European Space Agency planlegger å skyte opp romteleskopet Euclid i 2023. Enhetens instrumenter vil måle rødforskyvning av galakser som befinner seg i forskjellige avstander fra jorden og utforske forholdet mellom rødforskyvning og avstand.
Utviklere forventer at Euclid kanse tilbake 8 milliarder år. Ved hjelp av ultrapresise målinger vil han kunne finne ut hvordan det var med gravitasjon, mørk materie og mørk energi i denne epoken.
NASA planlegger et lignende oppdrag:i 2027 planlegger den å skyte opp romteleskopet Nancy Grace Roman i jordens bane. Forskerne tror at han vil kunne studere galakser som ligger i en avstand på 11 milliarder lysår og studere det tidligste universet.
Les mer:
De første bildene av den underjordiske delen av Mars overrasket forskere
Fra kroppen til munnen: forskere har forstått hvor tennene kom fra
Hvor på kloden vil være den farligste innen 2100: et nytt kart har blitt publisert
Forside: Design Alex Mittelmann, Coldcreation, CC BY-SA 3.0, via Wikimedia Commons